KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH ZACHODNICH. Grzegorz Benedykt Durło

Transkrypt

1 Acta Agrophysica, 2007, 10(3), KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH ZACHODNICH Grzegorz Benedykt Durło Katedra Ochrony Lasu i Klimatologii Leśnej, Wydział Leśny, Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja Al. 29 listopada 46, Kraków rldurlo@cyf-kr.edu.pl Streszczenie. Praca zawiera wyniki opracowania dotyczącego klimatycznego bilansu wodnego okresów wegetacyjnych w Beskidach. W badaniach wykorzystano dane meteorologiczne z okresu , pochodzące z 8 stacji meteorologicznych zlokalizowanych w obrębie Beskidów Zachodnich w regionach Beskidu Śląskiego i śywieckiego. Celem pracy była ocena potencjału fitoklimatycznego w oparciu o miesięczne i sezonowe wartości klimatycznego bilansu wodnego. Sło wa klu czo we: klimat, bilans wodny, wegetacja, Beskidy WSTĘP Niedobory opadów atmosferycznych w okresie wegetacyjnym powodują widoczne ograniczenie tempa wzrostu drzew leśnych. Długotrwałe posuchy wpływają na redukcję szerokości słojów rocznych i długości pędów, destabilizują gospodarkę wodną roślin i w konsekwencji ekosystem leśny ulega osłabieniu. W warunkach stresu wodnego drzewostan staje się mniej odporny na czynniki biotyczne, co znacznie zwiększa ryzyko jego uszkodzenia (Puchalski i Prusinkiewicz 1975, Wilczyński i Feliksik 2005). W ostatnich latach na obszarze Beskidów Zachodnich zaobserwowano znaczne pogorszenie się stanu zdrowotnego drzewostanów świerkowych. Przeprowadzone w ostatnim czasie badania dowodzą, iŝ optymalne warunki pluwialne zgodne z wymaganiami drzew leśnych, na tym terenie, występują stosunkowo rzadko. Coraz częściej natomiast obserwowane są okresy z niedoborami lub nadmiarami opadów, co w widoczny sposób wpływa na stabilność ekosystemów leśnych w tej strefie klimatycznej. Biorąc pod uwagę wymagania świerka pospolitego, dominującego gatunku w składzie drzewostanów beskidzkich, moŝna zało-

2 554 G. B. DURŁO Ŝyć, iŝ obserwowane w ostatnich latach niekorzystne warunki opadowe mogą w przyszłości spowodować ograniczenie wzrostu świerczyn i przyczynić się do ich zamierania (Wilczyński i Feliksik 2005). Obiektywną ocenę potencjału wodno-klimatycznego badanego terenu uzyskać moŝna na podstawie porównania strat wody zuŝytej na parowanie i sumy opadów atmosferycznych. Wartość klimatycznego bilansu wodnego wyraŝa tę zaleŝność i stanowi waŝny wskaźnik w diagnozowaniu warunków siedliskowych terenów rolniczych i leśnych (Bac i Rojek 1982, Sarnacka 1986, Doroszewski i Marcinkowska 1995, Bryś i Bryś 2005, Leśny i Juszczak 2005, Spittlehouse 2005). Celem pracy była ocena klimatycznego bilansu wodnego w Beskidzie Śląskim i śywieckim w kontekście obserwowanych i prognozowanych zagroŝeń trwałości drzewostanów świerkowych w Beskidach Zachodnich. MATERIAŁ I METODY W pracy wykorzystano dane meteorologiczne z lat zgromadzone na stacjach i posterunkach meteorologicznych połoŝonych w Beskidzie Śląskim i śywieckim (tab. 1). Tabela 1. Charakterystyka stacji meteorologicznych na obszarze badań Table 1. Characteristics of meteorological stations in study area Lokalizacja Localization Wysokość m n.p.m. Altitude, m a.s.l Współrzędne geograficzne Geographical coordinates Forma terenu Land form Bielsko-Biała o 48 N 19 o 00 E Wklęsła Ustroń o 43 N 18 o 51 E Wypukła Jaworzynka o 32 N 18 o 57 E Wypukła Wisła o 39 N 18 o 52 E Wklęsła Istebna o 36 N 18 o 54 E Wypukła śywiec o 41 N 19 o 13 E Wklęsła Korbelów o 34 N 19 o 20 E Wypukła Zawoja o 36 N 19 o 31 E Wypukła Klimatyczny bilans wodny wyznaczono na podstawie róŝnicy pomiędzy miesięczną sumą opadów atmosferycznych skorygowanych (P k ) i miesięczną sumą parowania potencjalnego (W m ). Wartości dobowego skorygowanego opadu atmosferycznego, w ciepłej części roku, obliczono na podstawie wzoru zaproponowanego przez Jaworskiego (2004):

3 KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH 555 0,165 P = 1,135( P + 1) + P1 + k1 1 1 (1) gdzie: P suma dobowa opadu skorygowanego w mm; P 1 suma dobowa opadu atmosferycznego zmierzona deszczomierzem Hellmanna na wysokości 1 m nad powierzchnią gruntu; k 1 straty opadu wywołane procesem zwilŝania (Kowalczyk i Ujda 1987). W przypadkach, gdy zanotowano wystąpienie opadu stałego wartość skorygowanego opadu dobowego wyznaczono za pomocą równania (Jaworski 1988): P = 1,167 P1 + 0, 29 + k 1 (2) oznaczenia jak we wzorze 1 Wielkość parowania obliczono stosując wskaźnik ewapotranspiracji Doroszewskiego i Górskiego (1995) oparty na równaniu Penmana (1948), według następującego wzoru: W m 2 1,66 = 89,6 + 0,0621 t + 0,00448 h + 9, 1 f (3) gdzie: W m wskaźnik ewapotranspiracji; t średnia temperatura powietrza; h usłonecznienie miesięczne w godzinach; f długość środkowego dnia w godzinach. Wartości wskaźników ewapotranspiracji i klimatycznego bilansu wodnego obliczono dla miesięcy ciepłej części roku: od kwietnia do października w całym wieloleciu oraz dla 20 kolejnych sezonów wegetacyjnych. WYNIKI Średnia wieloletnia suma opadu atmosferycznego w sezonie wegetacyjnym wynosiła 810 mm w Beskidzie Śląskim oraz 770 mm w Beskidzie śywieckim, z odchyleniem standardowym wynoszącym w obu przypadkach około 120 mm. W tym samym okresie średnia suma ewapotranspiracji potencjalnej wynosiła odpowiednio 598 mm oraz 615 mm z odchyleniem 80 mm. Klimatyczny bilans wodny w okresie wegetacyjnym kształtował się na średnim poziomie +183 mm, co wskazuje na stosunkowo niewielką nadwyŝkę opadów względem parowania. Przy czym, w Beskidzie Śląskim, bilans ten był korzystniejszy i wynosił +212 mm, w Beskidzie śywieckim był on o 60 mm niŝszy. Spośród miesięcy ciepłej części roku, najwyŝszą średnią wartością klimatycznego bilansu wodnego charakteryzował się wrzesień: 50 mm (Beskid Śląski) oraz 41,4 mm (Beskid śywiecki) (tab. 2). NajwyŜsza w wieloleciu nadwyŝka

4 556 G. B. DURŁO opadów atmosferycznych w stosunku do parowania wystąpiła w lipcu 1997 roku w Beskidzie Śląskim, wyniosła ona wówczas +322 mm. Lipiec okazał się takŝe miesiącem o największej zmienności w całym badanym okresie, o czy świadczą wysokie wartości odchylenia standardowego i rozstępu. Tabela 2. Wskaźniki klimatyczne klimatycznego bilansu wodnego i ich charakterystyki statystyczne w miesiącach ciepłej części roku, wielolecie Table 2. Climatologic indexes of climatic water balance and its statistical coefficients in temperate months, in years Beskid Śląski Beskid śywiecki Miesiące Month kbw śr kbw min kbw max σ z t kbw śr kbw min kbw max σ z t IV 18,0 45,3 116,5 38,3 161,8 15,5 32,7 99,0 31,6 131,7 V 24,7 69,4 111,1 51,7 180,5 14,9 69,7 91,5 46,6 161,2 VI 36,3 60,1 253,0 75,2 313,1 20,6 63,9 178,6 57,6 242,5 VII 24,7 104,3 322,0 89,2 427,1 11,6 92,9 247,0 67,6 329,9 VIII 19,9 90,2 139,7 61,4 229,9 12,1 83,5 118,5 51,6 202,0 IX 50,0 53,2 205,6 64,5 258,8 41,4 38,5 164,1 51,9 202,6 X 38,6 30,1 116,9 44,7 147,0 38,3 11,1 102,1 35,3 113,2 Oznaczenia: kbw śr średnia miesięczna; kbw min najniŝsza miesięczna; kbw max najwyŝsza miesięczna; σ odchylenie standardowe średniej; z t zakres (rozstęp), Signatures: kbw śr monthly average; kbw min monthly minimum; kbw max monthly maximum; σ standard deviation of average; z t range. NajniŜszą średnią wartością klimatycznego bilansu wodnego, w Beskidzie Śląskim, charakteryzował się kwiecień (+18,0 mm) natomiast w Beskidzie śywieckim lipiec ze średnią +11,6 mm (tab. 2). NajniŜsza miesięczna wartość omawianego wskaźnika w badanym wieloleciu wystąpiła w lipcu 2006 roku i wyniosła 104,3 mm. W ciągu dwudziestu lat czterokrotnie klimatyczny bilans wodny w okresie wegetacyjnym uzyskał wartość ujemną, wyjątkowość tych sytuacji polega jednak na tym, iŝ wszystkie one wystąpiły w ciągu ostatnich 7 lat (rys. 1). W omawianych przypadkach o ujemnej wartości wskaźnika zadecydował niedobór opadów atmosferycznych w miesiącach wiosennych, szczególnie w maju. Miesiąc ten aŝ siedmiokrotnie z rzędu wykazywał wartości bilansu mniejsze od zera (tab. 3). Wcześniej tj. w latach sytuacja taka nie miała miejsca ani razu.

5 KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH 557 KBW (mm) Lata - Years Rys. 1. Klimatyczny bilans wodny (KBW) w sezonach wegetacyjnych w Beskidzie Śląskim (ciemne słupki) i w Beskidzie śywieckim (jasne słupki) w latach Fig. 1. Climatic water balance (KBW) in vegetation periods in Beskid Śląski Mts. (dark bars) and Beskid śywiecki Mts. (light bars) in multi-year period Tabela 3. Fragment macierzy miesięcznych wskaźników klimatycznego bilansu wodnego w latach w Beskidzie śywieckim Table 3. Section of matrix of climatic water balance indexes in Beskid śywiecki Mts. ( ) IV V VI VII VIII IX X ,1 27,1 127,2 36,5 41,7 103,7 102, ,4 43,3 178,6 10,4 31,5 11,5 93, ,7 43,5 63,9 66,8 49,2 7,2 5, ,5 69,7 41,4 87,9 27,4 81,1 19, ,8 15,1 36,8 14,6 29,8 33,6 92, ,1 38,3 55,8 38,0 83,5 20,3 50, ,7 17,5 17,1 9,2 20,3 9,5 27, ,8 16,7 18,9 39,7 60,3 43,9 4, ,7 12,2 19,9 92,9 26,8 38,5 11,1

6 558 G. B. DURŁO W 2003 i 2004 roku niekorzystne warunki pluwialne utrzymywały się przez pięć kolejnych miesięcy od kwietnia do sierpnia, co spowodowało deficyt wody niemoŝliwy do zrekompensowania w dwóch ostatnich miesiącach okresu wegetacyjnego rok naleŝał pod tym względem do wyjątkowych w całym badanym okresie. Wszystkie miesiące półrocza ciepłego (IV-IX) charakteryzowały się nadwyŝką parowania w stosunku do opadów atmosferycznych (tab. 3). W wieloleciu miesiącami, w których najczęściej pojawiał się deficyt wody w Beskidzie Śląskim były lipiec i sierpień. AŜ dziewięciokrotnie wartość klimatycznego bilansu wodnego w wyŝej wymienionych miesiącach przyjmowała wartości ujemne (45%) co oznacza, Ŝe w kaŝdym kolejnym roku moŝna spodziewać się nadwyŝki strat wody nad opadami (rys. 2). Przeciętnie w wieloleciu miesiące z ujemnymi wartościami klimatycznego bilansu wodnego stanowiły 35%, pozostałe to przypadki dodatnich wskaźników Częstość - Frequency (%) KBW- KBW+ IV V VI VII VIII IX X Miesiące - Months Rys. 2. Udział procentowy dodatnich i ujemnych wartości klimatycznego bilansu wodnego w poszczególnych miesiącach wielolecia w Beskidzie Śląskim Fig. 2. Percentage of positive and negative values of climatic water balance in particular months, in years (Beskid Śląski Mts.) W Beskidzie śywieckim uzyskane wyniki przedstawiały się podobnie z wyjątkiem lipca, w którym udział przypadków z ujemnymi wartościami klimatycznego bilansu wodnego wyniosły aŝ 55%. Najkorzystniejsza sytuacja występowała w październiku, ujemne wartości bilansu występowały sporadycznie (15%), a nadwyŝka strat nad opadami nie przekraczała w tym miesiącu +10 mm(rys. 3).

7 KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH 559 Częstość - Frequency (%) KBW- KBW+ 0 IV V VI VII VIII IX X Miesiące - Months Rys. 3. Udział procentowy dodatnich i ujemnych wartości klimatycznego bilansu wodnego w poszczególnych miesiącach wielolecia w Beskidzie śywieckim Fig. 3. Percentage of positive and negative values of climatic water balance in particular months, in years (Beskid śywiecki Mts.) KBW (mm) IV V VI VII VIII IX X Miesiące - Months Rys. 4. Miesięczne wartości klimatycznego bilansu wodnego (KBW) w dwóch dekadach: (jasne słupki) oraz (ciemne słupki) w Beskidzie Śląskim Fig. 4. Monthly values of climatic water balance (KBW) in two decades: (light bars) and (dark bars) in Beskid Śląski Mts.

8 560 G. B. DURŁO Porównując wartości klimatycznego bilansu wodnego między dekadami oraz dostrzec moŝna trzy zasadnicze zmiany. Pierwsza z nich, niekorzystna, dotyczy wspomnianego juŝ maja. Obserwowane w ostatnich latach niedobory opadów w maju zachwiały bilansem wodnym na tyle skutecznie, iŝ wskaźnik ostatniej dekady na poziomie 11 mm okazał się najniŝszy spośród wszystkich miesięcy. Podobna sytuacja miała miejsce w sierpniu, nadwyŝka opadów w stosunku do parowania radykalnie się zmniejszyła, a w ostatnim czasie przyjęła wartość ujemną ( 9,5 mm). Na tle pozostałych miesięcy wyróŝnił się lipiec, w którym zaobserwowano wyraźne zmniejszenie deficytu i znaczną poprawę bilansu wodnego. W stosunku do pierwszej dekady zmiana ta wyniosła +62 mm (rys. 4). Na wynik ten istotny wpływ miały wyjątkowo wysokie sumy opadu zmierzone w 1997 i 2001 roku. Tylko w lipcu 1997 roku klimatyczny bilans wodny osiągnął wartość +332 mm, podczas gdy suma wszystkich przypadków z ujemnymi wartościami wskaźnika dla tego miesiąca, w całym wieloleciu, dała wynik 307 mm. Okazało się zatem, Ŝe jeden epizod radykalnie wpłynął zarówno na wartość wskaźnika dekadowego, jak i na średnią w całym wieloleciu PODSUMOWANIE Klimatyczny bilans wodny okresu wegetacyjnego w wieloleciu , w Beskidach Zachodnich był dodatni. Korzystne i stabilne warunki utrzymywały się nieprzerwanie do 1999 roku, wówczas po raz pierwszy zanotowano ujemną wartość bilansu wodnego w miesiącach wiosennych: kwietniu i maju. W następnych latach, deficyt powtarzał się a niedobory wody obejmowały kolejne miesiące ciepłej części roku. Zarówno w Beskidzie Śląskim jak i śywieckim tendencja ta utrzymywała się z roku na rok, czego efektem była krytyczna sytuacja w sezonach wegetacyjnych 2003 i 2004 roku. Susza atmosferyczna panująca latem 2003 roku była tak dotkliwa, Ŝe skutki jej odczuły wszystkie gatunki drzew leśnych występujące na badanym terenie. Najsilniej deficyt wody w środowisku odbił się na stanie zdrowotnym drzewostanów świerkowych. Niemal we wszystkich klasach wieku zaobserwowano gwałtowny proces wydzielenia się posuszu, którego rozmiary osiągnęły w niektórych rejonach od 20% do 30% populacji drzew. Jednym z czynników zagraŝających trwałości lasów w Beskidach jest wyjątkowo duŝa zmienność opadów a co się z tym wiąŝe, duŝe wahania klimatycznego bilansu wodnego. Potwierdziły to charakterystyki statystyczne wskaźników miesięcznych oraz wartości klimatycznego bilansu wodnego wyznaczone dla okresów dekadowych. Niepokojący jest fakt, Ŝe tak duŝa liczba miesięcy z ujemnym bilansem wodnym wystąpiła w stosunkowo krótkim okresie czasu, zaledwie w ciągu dwudziestu lat. Brak optymistycznych prognoz wynika równieŝ z tego, iŝ

9 KLIMATYCZNY BILANS WODNY OKRESÓW WEGETACYJNYCH W BESKIDACH 561 dwa kluczowe dla wegetacji miesiące takie jak: maj oraz sierpień, coraz częściej wykazują znaczne niedobory wody. Najlepszym tego przykładem jest rysunek 4, ukazujący transformację omawianego wskaźnika na przestrzeni ostatnich dziesięciu lat. Brak dostatecznej ilości wody w okresie wczesnej wiosny moŝe przyczynić się do wywołania stresu u drzew na początku wegetacji. Historia zapisów pluwiometrycznych ostatnich lat wskazuje, Ŝe deficyt ten jest praktycznie niemoŝliwy do zrekompensowania w okresie letnim. Niestety, wyniki uzyskane w niniejszej pracy potwierdzają słuszność tej hipotezy. WNIOSKI 1. W ciągu ostatnich dziesięciu lat ( ) znacznie wzrosła częstość występowania miesięcy z ujemną wartością klimatycznego bilansu wodnego w Beskidach Zachodnich. Obecnie stosunek ten wynosi 48%, podczas gdy dziesięć lat wcześniej udział nie przekraczał 21%. 2. Wartością progową, przy której prawdopodobieństwo wystąpienia ujemnej wartości klimatycznego bilansu wodnego w okresie wegetacyjnym wynosi 95%, jest suma opadów atmosferycznych z tego okresu 700 mm. 3. Wstępną predykcję wartości klimatycznego bilansu wodnego w danym roku, moŝna wyznaczyć na podstawie wartości wskaźników uzyskanych w miesiącach: czerwiec oraz sierpień. 4. Na podstawie uzyskanych w pracy wyników moŝna stwierdzić, iŝ niekorzystna sytuacja pluwialna, jaka miała miejsce w latach , wpłynęła na destabilizację gospodarki wodnej drzewostanów świerkowych w Beskidzie Śląskim i śywieckim i była jedną z głównych przyczyn osłabienia drzew w tej strefie klimatycznej. PIŚMIENNICTWO Bac S., Rojek M., Klimatyczne bilanse wodne w Polsce. (W:) Bac S. (red.) Agroklimatyczne podstawy melioracji wodnych w Polsce. PWRiL. Bryś K., Bryś T., Ekstremalne wartości klimatycznych bilansów wodnych we Wrocławiu- Swojcu. Wod. Środ. Obsz. Wiejsk., IMUZ, 5, Doroszewski A., Górski T., Prosty wskaźnik ewapotranspiracji potencjalnej. Rocz. Akad. Roln. Ser. Melior. InŜ. Środ., 16, 3-8. Doroszewski A., Marcinkowska I., Klimatyczny bilans wodny sezonów wegetacyjnych w Puławach. (W:) Kołodziej J, Turski R. (red.). Gleby i klimat Lubelszczyzny. Societ. Sci. Lubl. 1, Jaworski J., 1988., Charakterystyka obiegu wody w zlewni Regi. Wiad. IMGW, 11, 1 i 2. Jaworski J., Parowanie w cyklu hydrologicznym zlewni rzecznych. Wyd. PTGeof., Kowalczyk S., Ujda K., Pomiary porównawcze opadów atmosferycznych. Mat. Bad. IMGW. Ser. Meteorol., 14.

10 562 G. B. DURŁO Leśny J., Juszczak R., Klimatyczny bilans wodny terenów rolniczych i leśnych. Wod. Środ. Obsz. Wiejsk. IMUZ, 5, Penman H.L., Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proc. Roy. Soc., 193, Puchalski T., Prusinkiewicz Z., Ekologiczne podstawy siedliskoznawstwa leśnego. PWRiL, Warszawa, Sarnacka S., Ewapotranspiracja potencjalna jako podstawowy wskaźnik w wyznaczaniu potrzeb wodnych. Zesz. Prob. Post. Nauk Roln., 268, Spittlehouse D. L., The climate and long term water balance of fluxnet Canada s coastal Douglas-fir forest. Poster for the Conference on 26th Agricultural and Forest Meteorology, Vancouver BC, VIII 2005, Wilczyński S., Feliksik E., Disturbances in variation of the annual ring width of Norway spruce in Polish Western Beskids Mountains. Jour. For. Sci., 51, CLIMATIC WATER BALANCE OF VEGETATION PERIODS IN WESTERN BESKID MOUNTAINS Grzegorz Benedykt Durło Department of Forest Protection and Forest Climatology, Faculty of Forest, Agricultural University Al. 29 Listopada 46, Kraków rldurlo@cyf-kr.edu.pl Ab str a ct. This paper presents the results of climatological elaboration of climatic water balance in vegetation seasons, in western part of Beskid Mountains. The data comes from measurements from which were collected at eight meteorological station situated in the subregion of Beskid Śląski and Beskid śywiecki Mts. The lowest value of climatic water balance was recorded in July, in Beskid śywiecki Mts., on average mm. The highest value was noted in September in Beskid Śląski Mts., +50 mm. Average value of index for the whole vegetation period totalled +183 mm. In the period covered by the research, months characterised by negative values of climatic water balance accounted for nearly 30% on average, the remaining 70% of cases having positive values. When rainfall amount during the vegetation season was less than 700 mm, it is possible to expect negative values of climatic water balance in the period. It is possible to conclude on the basis of the results obtained that the negative pluvial situation in the years caused destabilization of the water balance of forest economies in the western part of Beskid Mts. Keywo rds: climate, water balance, vegetation season, Beskid Mts